JP6143439B2

JP6143439B2 - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP6143439B2
Application number: JP2012255724A
Authority: JP
Inventors: 中野　英茂; 英茂中野
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2012-11-21
Filing date: 2012-11-21
Publication date: 2017-06-07
Anticipated expiration: 2032-11-21
Also published as: JP2014101847A

Description

本発明は、クランクシャフトを回転駆動できる電動機が付随する内燃機関を制御する制御装置に関する。

内燃機関の始動時には、始動装置であるスタータモータ（セルモータ）のピニオンギアをフライホイール（ＭＴ車の場合）またはドライブプレート（ＡＴ車の場合）外周のリングギアに噛合させ、スタータモータによりクランクシャフトを回転させるクランキングを行うことが通例である（例えば、下記特許文献を参照）。クランキングは、内燃機関が初爆から連爆へと至り、クランクシャフトの回転速度が冷却水温等に応じて定まる判定値を超えたときに終了する。

噛合するギアを介した回転駆動力の伝達は、比較的大きな騒音を発するきらいがある。ＮＶ性能の一層の向上のためには、スタータモータによりクランキングを行う期間をできる限り短くすることが求められる。

特開２０１１−２０２６４３号公報

本発明は、内燃機関の始動に際し、始動装置からギアを介してクランクシャフトに回転駆動力を伝達する期間の短縮を図ることを所期の目的としている。

本発明では、噛合するギアを介してクランクシャフトに回転駆動力を供給する第一の始動装置と、巻掛伝動機構を介してクランクシャフトに回転駆動力を供給する第二の始動装置とが付随する内燃機関を制御するものであって、停止している内燃機関を始動する際、当初は第一の始動装置のみを用いて、または第一の始動装置と第二の始動装置とを併用してクランキングを行い、その後に第一の始動装置とクランクシャフトとの間に介在するギアの噛合を解除して第二の始動装置のみを用いたクランキングに移行するものとし、クランクシャフトの回転に対する摩擦抵抗が小さいほど、始動当初の第一の始動装置を用いたクランキングの期間を短くし、または第一の始動装置を用いたクランキングを終了する条件となる回転速度の閾値を低く設定し、さらに、第二の始動装置のみを用いたクランキングに移行してからのクランクシャフトの加速度が所定値以下である場合には、前記ギアを再度噛合させて第一の始動装置と第二の始動装置とを併用したクランキングをクランクシャフトの回転速度が目標回転数に到達するまで行う内燃機関の制御装置を構成した。

第一の始動装置が電動機である場合、クランキングを開始したときに当該電動機を流れる電流の大きさに基づいて、クランクシャフトの回転に対する摩擦抵抗の大きさを推測することができる。

本発明によれば、始動装置からギアを介してクランクシャフトに回転駆動力を伝達する期間の短縮を図ることができる。

本発明の一実施形態における内燃機関の概略構成を示す図。同実施形態における内燃機関及びモータジェネレータの関係を模式的に示す図。同実施形態の制御装置が実施する処理の手順例を示すフロー図。スタータモータ起動時のバッテリ電圧降下の模様を例示する図。本発明の変形例に係る制御装置が実施する制御の内容を示すタイミング図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関１００の概要を示す。本実施形態における内燃機関１００は、火花点火式の４ストロークエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

図２に示すように、本実施形態における内燃機関１００には、第一の始動装置たるスタータモータ（セルモータ）１４０と、第二の始動装置たるモータジェネレータ１１０とが付随している。

スタータモータ１４０は、電動機である。スタータモータ１４０は、従来の内燃機関の始動装置と同様、その出力軸にピニオンギア１４１を有し、このピニオンギア１４１が内燃機関１００のクランクシャフト１０に固定されたリングギア１０３に噛合することで、クランクシャフト１０に回転駆動力を伝達する。ピニオンギア１４１は、内燃機関１００の始動の際のクランキング中以外は、リングギア１０３から離脱している。

モータジェネレータ１１０は、クランクシャフト１０ひいては車両の車軸（そして、駆動輪）を回転駆動する電動機（アシストモータ）としての機能と、クランクシャフト１０から駆動力の伝達を受けて発電する発電機としての機能とを兼ね備える。

クランクシャフト１０及び車軸を回転駆動する場合、モータジェネレータ１１０は車載のバッテリ（図示せず）から電力の供給を受ける。翻って、クランクシャフト１０により回転駆動されて発電する場合には、その発電した電力を同バッテリに充電することができる。特に、モータジェネレータ１１０は、車両が減速するときに回生制動を行い、車両の運動エネルギを電気エネルギとして回収する。

モータジェネレータ１１０は、巻掛伝動機構１１２、１１３、１０１を介して内燃機関１００のクランクシャフト１０の一端側と接続している。内燃機関１００と車軸とを繋ぐトランスミッション１２０は、クランクシャフト１０の他端側に設置する。また、モータジェネレータ１１０と同じ側の外側壁に、エアコンディショナの冷媒圧縮用のコンプレッサ１３０を配設している。

モータジェネレータ１１０は、例えばインナーロータ方式のもので、永久磁石を有するロータと、ロータの外周面に対向するコイルを有するステータとを要素としてなる。ロータは、ロータ軸１１１の外周に固着している。ロータ軸１１１及びクランクシャフト１０には、それぞれプーリ（または、スプロケット）１１２、１０１が固着しており、これらプーリ１１２、１０１に巻き掛けたベルト（または、チェーン）１１３によって、クランクシャフト１０とロータ軸１１１との間で相互に（双方向に）回転駆動力を伝達する。

コンプレッサ１３０もまた、巻掛伝動機構１０２、１３４、１３３を介して内燃機関１００のクランクシャフト１０の一端側と接続している。コンプレッサ１３０の入力軸１３２及びクランクシャフト１０には、それぞれプーリ（または、スプロケット）１３３、１０２が固着しており、これらプーリ１３３、１０２に巻き掛けたベルト（または、チェーン）１３４によって、クランクシャフト１０から入力軸１３２に回転駆動力を伝達する。ベルト１３４は、コンプレッサ１３０以外の補機である潤滑油ポンプ（図示せず）や冷却水ポンプ（図示せず）等にも駆動力を伝達することがある。なお、コンプレッサ１３０と入力軸１３２との間には、断接切換可能なマグネットクラッチ１３１が介在しており、エアコンディショナを稼働しないときには当該クラッチ１３１を切断する。

本実施形態の制御装置たるＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフト１０の回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号（Ｎ信号）ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、シフトレバーのレンジを知得するためのセンサ（シフトポジションスイッチ）から出力されるシフトレンジ信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、機関１００の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号（Ｇ信号）ｇ、車載のバッテリの充電状態を示すバッテリ電圧、バッテリ電流及びバッテリ温度を検出するセンサから出力されるバッテリ信号ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、モータジェネレータ１１０（の制御回路）に対してこれを制御するための制御信号ｌ等を出力する。制御信号ｌは、モータジェネレータ１１０をモータとして作動させるか、オルタネータとして作動させるかを指令するとともに、モータとして作動させる場合にモータジェネレータ１１０に対して印加する電圧（または、電流）の大きさや、オルタネータとして作動させる場合にモータジェネレータ１１０から出力させる電圧（または、電流）の大きさを制御する信号となる。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関１００の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関１００の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、モータジェネレータ１１０の出力または発電量といった各種運転パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能である。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌを出力インタフェースを介して印加する。

加えて、ＥＣＵ０は、内燃機関１００の始動（冷間始動であることもあれば、アイドリングストップからの復帰であることもある）時において、スタータモータ１４０に制御信号ｎを入力し、ピニオンギア１４１をリングギア１０３に噛合させてクランクシャフトを回転駆動するクランキングを行う。

図３に、停止している内燃機関１００を始動する際にＥＣＵ０が実行する処理の手順例を示す。ＥＣＵ０は、始動の当初、スタータモータ１４０を起動する（ステップＳ１）とともに、そのピニオンギア１４１を内燃機関１００のリングギア１０３に噛合させて（ステップＳ２）、スタータモータ１４０が出力する回転駆動力を以てクランクシャフト１０を回転させる。

そして、ＥＣＵ０は、スタータモータ１４０によるクランキングの開始直後の時期のバッテリ電圧を計測し（ステップＳ３）、そのバッテリ電圧の降下の度合いに基づいて内燃機関１００の機械摩擦の大きさを推測し、スタータモータ１４０によるクランキング期間の長さを決定する（ステップＳ４）。

図４に、スタータモータ１４０によるクランキングの開始直後の時期のバッテリ電圧の変動の推移を例示する。スタータモータ１４０の起動の瞬間、スタータモータ１４０に大きな突入電流が流れ、バッテリ電圧は一瞬だけ急落する。その後、バッテリ電圧はある程度回復するものの、スタータモータ１４０への電力供給に起因して、電圧は始動開始前（スタータモータ１４０の起動前）よりも降下する。この電圧降下Ｖｄの大きさが、スタータモータ１４０に流れ込む電流の大きさを示唆している。

クランキング中にスタータモータ１４０を流れる電流が大きいということは、それだけクランクシャフト１０の回転に対する摩擦抵抗が大きく、クランクシャフト１０が加速しにくいということである。一般に、摩擦抵抗は、内燃機関１００の温度が低いほど（潤滑油の粘性が高くなる等により）大きくなる。ステップＳ４にて、ＥＣＵ０は、バッテリ電圧降下が大きいほど、即ちクランクシャフト１０の回転に対する摩擦抵抗が大きいほど、スタータモータ１４０によるクランキングの期間を長く設定する。

ステップＳ４にて定めたクランキング期間が経過した後（ステップＳ５）、ＥＣＵ０は、リングギア１０３に噛合していたピニオンギア１４１をリングギア１０３から離脱させて（ステップＳ６）スタータモータ１４０からクランクシャフト１０への回転駆動力の供給を終了する。このとき、スタータモータ１４０の回転は停止させない。その代わりに、モータジェネレータ１１０を起動して（ステップＳ７）、以降はモータジェネレータ１１０が出力する回転駆動力を以てクランクシャフト１０を回転させる。

但し、モータジェネレータ１１０によるクランキングを開始してから、クランクシャフト１０の回転速度が十分に加速しない、即ちクランクシャフト１０の加速度（または、回転速度の単位時間あたりの増加量）が所定値以下である場合には（ステップＳ８）、ピニオンギア１４１をリングギア１０３に再度噛合させ（ステップＳ９）、スタータモータ１４０及びモータジェネレータ１１０の双方によりクランキングを行う。これにより、極低温下等の摩擦抵抗が顕著に大きい状況であっても、クランクシャフト１０を加速させて確実に内燃機関１００を始動させることが可能となる。

クランクシャフト１０の回転速度、換言すればエンジン回転数が目標アイドル回転数に到達したならば（ステップＳ１０）、気筒１への燃料噴射及び点火を開始する（ステップＳ１１）。

しかる後、バッテリからモータジェネレータ１１０への通電を遮断し（ステップＳ１２）、モータジェネレータ１１０からクランクシャフト１０への回転駆動力の供給を終了する。並びに、バッテリからスタータモータ１４０への通電を遮断して（ステップＳ１３）、スタータモータ１４０の回転を停止させる。なお、ピニオンギア１４１をリングギア１０３に噛合させている場合には（ステップＳ１４）、これをリングギア１０３から離脱させる（ステップＳ１５）。

本実施形態では、噛合するギア１４０、１０３を介してクランクシャフト１０に回転駆動力を供給する第一の始動装置１４０と、巻掛伝動機構１１２、１１３、１０１を介してクランクシャフト１０に回転駆動力を供給する第二の始動装置１１０とが付随する内燃機関１００を制御するものであって、停止している内燃機関１００を始動する際、当初は第一の始動装置１４０のみを用いてクランキングを行い、その後に第一の始動装置１４０とクランクシャフト１０との間に介在するギア１４１、１０３の噛合を解除して第二の始動装置１１０のみを用いたクランキングに移行するものとし、クランクシャフト１０の回転に対する摩擦抵抗が小さいほど、始動当初の第一の始動装置１４０を用いたクランキングの期間を短くする制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、始動装置１４０からギア１４１、１０３を介してクランクシャフト１０に回転駆動力を伝達する期間の短縮を図ることができる。騒音の発生期間が短くなることから、ＮＶ性能の向上に資する。

また、第一の始動装置たるスタータモータ１４０によりクランクシャフト１０の回転をある程度以上加速してから、第二の始動装置たるモータジェネレータ１１０によるクランクシャフト１０の回転駆動を開始することとなるため、モータジェネレータ１１０から巻掛伝動機構１１２、１１３、１０１を介してクランクシャフト１０に巨大なトルクを入力する必要がない。従って、巻掛伝動機構の要素であるプーリ（または、スプロケット）１１２、１０１の変速比を、クランクシャフト１０からモータジェネレータ１１０にトルクを入力する発電時に適した大きさに設定することが可能となる。

内燃機関１００が低温である場合等、クランクシャフト１０の回転に対する摩擦抵抗が比較的大きい状況では、スタータモータ１４０によるクランキング期間を長くとり、内燃機関１００の始動の確実性を高めることができる。

従来の内燃機関の始動においては、スタータモータによりクランクシャフトの回転速度を２００ｒｐｍ程度までしか高めることができない。これは、６７０ないし８００ｒｐｍ程度の目標アイドル回転数に対してかなり低く、燃料噴射量を増量してクランクシャフトを目標アイドル回転数まで加速させることが必須であった。これに対し、本実施形態では、モータジェネレータ１１０によりクランクシャフト１０の回転速度を目標アイドル回転数近傍まで高めてから燃料噴射を開始するようにしており、クランクシャフト１０の加速のための燃料噴射量の増量補正を削減でき、燃費性能の向上を期待できる。

さらに、第一の始動装置１４０が電動機である場合、クランキングを開始したときに当該電動機１４０を流れる電流の大きさに基づいて、クランクシャフト１０の回転に対する摩擦抵抗の大きさを推測するため、摩擦抵抗を精確に見積もることが可能となり、スタータモータ１４０によるクランキング期間の長さの最適化に寄与する。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。上記実施形態では、内燃機関１００の始動の当初、第一の始動装置たるスタータモータ１４０のみを用いてクランクシャフト１０を回転駆動していたが、同時期に第二の始動装置たるモータジェネレータ１１０をも起動し、スタータモータ１４０とモータジェネレータ１１０とを併用してクランクシャフト１０を回転駆動するものとしてもよい。

この場合にも、クランクシャフト１０の回転に対する摩擦抵抗が小さいほど、スタータモータ１４０とモータジェネレータ１１０とを併用するクランキング期間を短く設定し、当該期間の経過後はピニオンギア１４１とリングギア１０３との噛合を解除してモータジェネレータ１１０のみを用いたクランキングに移行することに変わりはない。

上記実施形態では、クランクシャフト１０の回転に対する摩擦抵抗に応じて、スタータモータ１４０を用いた（スタータモータ１４０単独での、またはスタータモータ１４０とモータジェネレータ１１０とを併用した）クランキング期間を設定することとしていたが、これに代えて、クランクシャフト１０の回転に対する摩擦抵抗に応じて、スタータモータ１４０を用いたクランキングを終了する条件となる回転速度の閾値を設定するようにしてもよい。

この場合、ステップＳ３で推測した内燃機関１００の摩擦抵抗が小さいほど、ステップＳ４にて回転速度の閾値を低く設定する。しかして、ステップＳ５では、現在のクランクシャフト１０の回転速度を上記の閾値との比較を行い、前者が後者を上回ったときにステップＳ６に遷移する、即ちギア１４１、１０３の噛合を解除しモータジェネレータ１１０のみを用いたクランキングへと移行する。つまり、図５に示しているような制御となる。スタータモータ１４０を用いたクランキング期間Ｔの長さは、クランクシャフト１０の回転速度と比較される閾値の高低に応じて変動する。

摩擦抵抗は、スタータモータ１４０を用いたクランキングの最中におけるクランクシャフト１０の加速度（または、回転速度の単位時間あたりの増加量）、及び、バッテリの充電残量（または、始動開始前のバッテリ電圧）を参照して推測することもできる。クランクシャフト１０の加速度が高いことは、クランクシャフト１０の回転に対する摩擦抵抗が低いことを意味する。また、バッテリの充電残量が多いほど、クランキング中にスタータモータ１４０に供給される電力が大きくなり、クランクシャフト１０の加速度が高くなる。故に、内燃機関１００の始動直前のバッテリの充電残量を加味した上で、クランクシャフト１０の加速度に基づいて摩擦抵抗の大きさを把握することが可能である。

内燃機関１００の冷却水温または潤滑油温をセンサを介して計測し、その水温または油温が低いほど摩擦抵抗が高いと推測することも考えられる。但し、内燃機関１００の停止時には冷却水及び潤滑油の循環も停止するため、センサにより計測される水温または油温と、内燃機関１００の全体的な平均温度（摩擦抵抗に影響を及ぼす）とが乖離することがある。センサにより計測される水温または油温は、内燃機関１００の停止時間の長さによってもばらつく。上記実施形態のような手法を採用する方が、推測の精度が増す。

その他、各部の具体的構成や処理の手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、クランクシャフトを回転駆動できる電動機が付随する内燃機関の始動時の制御に適用できる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１００…内燃機関
１０…クランクシャフト
１１０…第二の始動装置（モータジェネレータ）
１１２、１１３、１０１…巻掛伝動機構（プーリまたはスプロケット、ベルトまたはチェーン）
１４０…第一の始動装置（スタータモータ）
１４１、１０３…ギア（ピニオンギア、リングギア）

Claims

噛合するギアを介してクランクシャフトに回転駆動力を供給する第一の始動装置と、巻掛伝動機構を介してクランクシャフトに回転駆動力を供給する第二の始動装置とが付随する内燃機関を制御するものであって、
停止している内燃機関を始動する際、
当初は第一の始動装置のみを用いて、または第一の始動装置と第二の始動装置とを併用してクランキングを行い、
その後に第一の始動装置とクランクシャフトとの間に介在するギアの噛合を解除して第二の始動装置のみを用いたクランキングに移行するものとし、
クランクシャフトの回転に対する摩擦抵抗が小さいほど、始動当初の第一の始動装置を用いたクランキングの期間を短くし、または第一の始動装置を用いたクランキングを終了する条件となる回転速度の閾値を低く設定し、
さらに、第二の始動装置のみを用いたクランキングに移行してからのクランクシャフトの加速度が所定値以下である場合には、前記ギアを再度噛合させて第一の始動装置と第二の始動装置とを併用したクランキングをクランクシャフトの回転速度が目標回転数に到達するまで行う内燃機関の制御装置。
第一の始動装置が電動機であり、クランキングを開始したときに当該電動機を流れる電流の大きさに基づいて、クランクシャフトの回転に対する摩擦抵抗の大きさを推測する請求項１記載の内燃機関の制御装置。